行研|廠商百花齊放,但CT探測器的發展依然到了瓶頸期!

隨著科學技術的發展，CT已經成了放射科的主力設備之一。相關統計顯示，目前國內CT保有量約為2.5萬臺。CT探測器是CT的核心部件之一，被稱為「CT的眼睛」。2018年，CT探測器設備市場價值約為14.8億美元，預計2017-2024年複合增長率4.5%，2024年市值將達19億美元。雖然國內各家廠家都推出了自主研發的CT探測器，但是CT探測器的發展還是到了瓶頸期。未來，CT探測器又該何去何從呢？

CT的全稱是computer tomography，即X線計算機體層掃描儀。CT是在1971年由EMI（電氣和音樂工業有限公司）的電氣工程師戈高弗雷·紐博爾德·豪斯費爾德爵士（Sir Godfrey Hounsfield）創造發明的。此後，隨著探測器數量的增加和掃描時間的減少，它經歷了多次改進。CT由X線球管、濾過器、準直器、探測器以及機架組成。X線球管、探測系統和重建算法是對圖像質量影響最大的三個CT組件。

CT探測器就是將已經通過人體衰減後的X線轉換為光電信號，使計算機系統得以識別並且計算出相應的信息。探測器轉換材料應有效地檢測（即吸收）入射的X射線量子並將其轉換為光（對於閃爍材料）或直接轉換為電信號（對於直接轉換材料）[1]。轉換臺對整體成像性能的極強影響使得閃爍體和直接轉換材料成為成像檢測器的關鍵技術項目。轉換材料的主要特點是： 探測效率、靈敏度、空間解析度和時間解析度。

注意檢測效率和靈敏度之間的差異非常重要。由於X射線和CT成像受X射線量子通量的噪聲支配，因此檢測效率應儘可能高。應檢測到80％或更多的傳入量子。太低的檢測效率無法通過增加檢測器的靈敏度來恢復。

CT探測器主要分為固體探測器和氣體探測器。其中，固體探測器按照閃爍體的材料區別又分為閃爍探測器和稀土陶瓷探測器；氣體常用高壓疝氣。

氣體探測器是利用氣體（疝氣）電離的原理，入射的X線使氣體產生電離，透過測量電流的大小來測得入射X線的強度。氣體探測器通常做成一個密閉的電離室，密閉的氣室內被加入約30個大氣壓，以增加電離室的電離。電離室的上下夾面由陶瓷拼成，兩側由薄鎢片構成，而X線的入射面由薄鋁板構成，中心收集電極也由薄鎢片構成。當X線入射到電離室後，使疝氣電離，由中心收集電極的正、負極接收（正電極接收負離子，負極相反），通過前置放大器放大後送入數據採集系統。電離室側面的鎢片對X線有準直作用，可防止散射線進入電離室。但是氣體探測器致命的缺點在於工藝上面只能做成單排探測器，所以在第三代CT後，已經沒有使用氣體探測器的CT產品了[2]。

有些材料當X線或其他帶電離子穿過時可以發射出可見光，這種材料被稱為閃爍體。為了有效地檢測X射線，通常使用含有一些重元素的無機化合物。例如碘化鈉（NaI）或鎢酸鎘（CdWO4）。為了在60 keV或更高的量子能量下實現高檢測效率，由於X射線成像需要在探測器處達到100μm左右的精細空間解析度，所以閃爍體的典型厚度範圍為0.3到2.5 mm。碘化銫（CsI）通常用於此應用，因為它可以生長為如圖所示的柱狀結構。這種結構限制了閃爍光的橫向擴散，從而大大有助於實現可接受的空間解析度。對於與非晶矽光電二極體一起使用，CsI摻雜鉈元素，可作為活化劑改變最大的光發射區域。

現代CT被廣泛使用的是稀土陶瓷探測器，它實際上是摻雜了釔之類金屬元素的超快速氧化陶瓷，採用光學方法使這些材料和光電二極體結合在一起。其特點是穩定性好、光電轉換效率高、X線的吸收率達99%、餘暉小且容易進行較小的分割（閃爍體是陣列探測器小單元的組成部分，尺寸越小，空間分辨力越高）[2-3]。

在追求「理想的閃爍體」時，評估了滿足現代CT掃描儀的高旋轉速度，高解析度和較低患者劑量要求的新材料，安裝和幾何形狀。研究重點是發光量，速度，餘輝和透光度。當前在CT檢測器中使用的閃爍體的光輸出量與Nph=10^6/Eg給出的理論極限相差甚遠，其中Nph是每1MeV伽馬光子可見光子數，Eg是閃爍體帶間隙，β是一個約2.5的數值因子。例如，GOS的理論極限為Nph〜90,000[4]。

目前許多實驗小組正在評估新材料，以用於現代CT應用。一種非常有前途的材料是(Lu,Gd,Y,Tb)3(Ga,Al)5 O 12類型的石榴石。這些材料可以單晶和多晶陶瓷形式提供，具有出色的透光性，增加的光產量，非常短的衰減時間以及與光探測器的光譜匹配性提高。GE Gemstone™是首款商業上用於CT檢測的石榴石閃爍體。為飛利浦雙層探測器評估的另一組材料是低原子序數閃爍體，例如ZnSe:Te，用於探測低能部分X射線光譜。石榴石型，GOS和ZnSe:Te閃爍體的原材料（晶圓）。其他可能在CT中實現的材料是滷化物「超亮」閃爍體，例如SrI 2：Eu，據報導其光產率超過90,000光子/ MeV[4]。

我國醫療影像市場廣闊，未來仍有較大潛力：2017年中國醫療影像市場規模達到511億元（73億美元），佔全球醫療影像市場17.4%；2010年至2017年中國醫療影像市場規模的複合增長率達到6.5%，遠超全球增速1.0%。

從國內政策支持上看，特別審批通道鼓勵本土企業創新，國產替代走向正軌。醫療影像進出口價差較大，部分優勢領域存在國產替代機會。中國主要醫療影像設備平均進口金額是出口金額的2~12倍：從2018年醫療影像設備進出口數據來看，CT設備進口金額是出口的6倍。藉此，國家通過特別通道比如採購國產設備無需醫療配置證等方式，支持國產影像設備。2018年10月國家衛生健康委員會發布《2018-2020年大型醫用設備配置規劃數量分布表》，明確大型醫療設備採購計劃，其中大部分為醫療影像設備。

醫療影像產業鏈可細分為六個環節：分別為原料生產、零部件生產、核心組件製造、主機製造、系統集成和醫院；其中原料和零部件屬於上遊，核心組件和主機屬於中遊，系統集成和醫院屬於下遊。中遊為醫療影像核心環節：探測器、高壓發生器、數據處理系統等均為醫療影像產業的重要組成部分。2018年，探測器設備市場價值約為14.8億美元，預計2017-2024年複合增長率4.5%，2024年市值將達19億美元。雖然國內廠商已經相繼都推出和創新設計了自己的探測器，但是探測器背後的一些核心元件還是依靠進口。例如：傳感器。傳感元件是數據採集的重要環節之一，不同成像領域對應不同的傳感器，是決定成像質量的關鍵物理部件，預計2022年不同技術醫療影像傳感器市場總額將達到545億美元。

另外還包括信號鏈，信號鏈是數據採集和處理的關鍵環節，數據採集和數據處理信號鏈模擬晶片在醫療影像半導體領域重要性增加。醫療影像領域以信號鏈為主的模擬晶片重要性提升：醫療影像行業對解析度、安全性等需求不斷增長，使其半導體含量繼續增加，預計2020年全球醫療影像半導體相關元件出貨量達到73000；其中模擬晶片佔比從2014年8.6%提升至2020年20.5%。 如果國產公司能在探測器相對應得關鍵元器件上面有自主創新，即使目前探測器新研發技術遇到瓶頸期得時候，還是可以在國內得市場上有所提升。

德國西門子擁有超過170年歷史，在全球範圍內持有18,000個專利，西門子醫療是領先的醫療技術公司。在全球超過70個國家約50,000名員工將繼續創新，塑造醫療行業的未來。在上海擁有西門子亞洲培訓中心，以及裝配工廠和研發中心。在深圳有西門子磁共振研發生產部門。

以SOMATOM® X.cite為例，使用的是StellarInfinity detector®，Stellar探測器是西門子醫療集團的首個完全集成的探測器。常規的檢測器模塊依靠信號處理板，其中光電二極體與模數轉換器分開布置。這會導致電子噪聲，因為信號在二極體和轉換器之間的傳播距離相對較長。在Stellar探測器中，簡化了電路板，並且將轉換器直接布置在光電二極體下方。由於來自光電二極體的模擬信號被直接轉換為可靠的數位訊號，因此這種完全集成降低了電子噪聲，從而顯著提高了信噪比（SNR），從而優化了劑量效率和圖像質量。更高的通道密度和新的幾何形狀甚至在複雜區域中也可提供均質的圖像質量，具有完全電子集成的TrueSignal技術，邊緣技術可生成0.5毫米的圖像，單次採集層數可達128，空間解析度0.3mm，最大旋轉速度0.3s。

荷蘭飛利浦醫療作為心臟病、腫瘤、危急護理以及婦女領域的保健專家，始終致力於研發並提供全面的醫療保健解決方案以為用戶提供物超所值的保健服務，包含了從疾病預防、放射診斷到治療，再到健康管理以及監測等等。

以IQon Spectral CT為例，通過新的雙層光譜檢測器為傳統的CT掃描增加了能譜解析度。藉助基於釔的閃爍體（GOS+）可以吸收99%的高能射線，NanoPanel稜鏡檢測器可同時識別高能和低能光子，不僅可以查看解剖結構，還可以使用顏色來表徵關鍵結構的組織密度含量。與傳統的雙能CT不同，能譜技術可以運用於任何方式的掃描中。

美國GE醫療是GE集團旗下（NYSE: GE）的醫療健康業務部門，年營收超170億美元。致力於成為引領精準醫療的創新者，GE醫療提供智能設備、數據分析、軟體應用和服務，實現從疾病診斷、治療到監護的全方位精準醫療生態體系。GE醫療擁有100多年的悠久歷史，在全球160多個國家擁有約5.6萬名員工。GE醫療從1979年開始在中國開展業務，於1986年在北京成立了第一家辦事處。1991年，航衛通用電氣醫療系統有限公司在北京成立，成為GE在中國的第一家合資企業，隨後成立華倫公司 – 致力於打造中國自己的倫琴，與海鷹集團公司合資成立了無錫工廠。目前，GE醫療在中國建立了包括獨資和合資企業在內的多個經營實體，擁有員工近7,000名，包括一支由1,000多名工程師組成的研發團隊，為中國和全世界開發領先的醫療產品與技術。

以Revolution CT產品為例，在Revolution™CT上引入GSI Xtream，這是第一項旨在改善小病變檢測，組織表徵和減少金屬偽影的體積能譜CT技術，從掃描到重建再到可視化，整個GSI體驗得到了增強。藉助GemstoneTM淨度檢測器，上文中所提到的石榴石探測器，有 0.25 msec 超高速 kV 切換功能，16cm寬度探測器，0.23 mm解析度。

日本佳能公司， 2018年1月4日起，佳能股份有限公司宣布，佳能集團旗下的東芝醫療系統株式會社正式更名為「佳能醫療系統株式會社」（以下簡稱「佳能醫療系統」）。佳能醫療系統從事用於疾病的早期診斷、早期治療的CT、MRI、超聲波診斷設備、X光診斷設備等影像診斷系統和檢查設備的研發和生產，向世界約140個國家和地區提供產品。貫徹執行「Made for Life」的理念，助力醫院的運營，為患者提供低負擔的醫療系統服務，助力「守護寶貴生命」的醫療事業的發展。

以 Aquilion Precision為例，使用「微鋒」高精度切割技術從固體錠中切割生產閃爍體來實現的, 閃爍體探測器0.25mm，1792通道的16釐米的探測器，可採集320 圖像,最大旋轉速度0.35s。新的「微鋒」精密切割技術用於開發了可光學隔離的離散0.25 mm元件，從而允許光傳輸而不會發生串擾。這一進步，加上閃爍體效率，檢測器電路和其他DAS組件的顯著改善，已經使導致了歷史上劑量效率最高的檢測器。儘管通道數量增加了一倍，行厚度減半，檢測器產生的圖像噪聲的幅度相當於以前的896通道0.5毫米系統。

聯影醫療公司成立於2011年3月，是目前國內唯一一家擁有全線高端影像設備的公司。特別是全身一體化PETCT，更是開創了世界PETCT的中國製造。

以uCT780為例，也是使用的是閃爍體探測器，但是基於TSV（矽通道）技術，直接輸出數位訊號，低輻射劑量與高圖像質量兼而得之。0.5mm探測器單元,最大旋轉速度0.3s，可生成128層圖像。

明峰醫療系統股份有限公司是成立於2011年，由明峰集團、國家先進位造產業基金、浙江省人才基金、紹興創業基金及廣州越秀產業基金投資的高新技術醫療設備公司。公司總部位於浙江省紹興市，在中國杭州、中山、鄭州、重慶、成都，以及美國俄亥俄州Solon設有研發、生產中心。QuantumEye 799為例，原創球面寬體探測器，512層圖像，可以產能譜圖像。

東軟醫療系統股份有限公司（以下簡稱「東軟醫療」）是中國大型高端醫療設備的推動者之一。東軟醫療目前擁有CT、MRI、DSA、XR、PET/CT、RT、US、IVD、MDaaS九大產品線，能夠提供放射影像、常規檢查、放療與核醫學、臨床應用解決方案。以NeuViz Epoch 無極CT為例，使用 全景追光者探測器---16cm軸掃+16cm螺旋覆蓋，0.259s的旋轉速度，0.17mm圖像解析度。

深圳安科高技術股份有限公司是在中央領導批示下，由中國科學院與美國Nasdaq上市公司Analogic於1986 年合資成立的中國最早的高科技醫療器械公司，是廣東省和深圳市最早的高新技術企業之一。公司主要從事高檔醫療電子設備的開發、生產和經營，目前產品涉及醫療影像、醫療信息、醫療電子和治療等四個領域，有六大類、近三十個品種。 以ANATOM128 產品為例，使用了optiwave光波探測器，以及非接觸滑環，可採集128層圖像。

目前各家廠商CT的成像特點不同，CT探測器的特點也有一定的區別，而CT探測器內部的稀有金屬材料，其實都並未完全公開。未來很長一段時間CT探測器的發展還是取決于于其材料的改變，以及切割技術方面的突破。另外一點，CT探測器後面的數據轉換器核心部件仍然掌握在國外廠商手中，國內市場潛力還是很大，核心技術還需取得突破。

參考資料：

[1]. Shefer, E., et al., State of the Art of CT Detectors and Sources: A Literature Review. Current Radiology Reports, 2013. 1(1): p. 76-91.

[2]. Melcher CL. Perspectives on the future development of new scintillators. Nucl Instrum Methods Phys Res A. 2005;537:6–14.

[3].van Eijk CWE. Inorganic scintillators in medical imaging. Phys Med Biol. 2002;47:R85–106.

[4]. Development of the HiLight™ scintillator for computer tomography medical imaging. Nucl Instrum Methods Phys Res A. 2003;505:68–71.

[5].部分資料來自企業官網GE、飛利浦、西門子等。

作者 顧文超 |  編輯 楊柳榮  |  排版 Elsa